既然波长越短芯片制程越先进，光刻机为什么不使用波长极短的伽马射线？
这个问题问得非常有水平，涉及到光刻技术的核心原理和实际应用中的诸多限制。简单地说，虽然波长越短能实现越精细的图案，但伽马射线实在太“野”了，我们目前的“工具”和“环境”都hold不住它。
咱们一步一步来聊聊，为什么光刻机没法直接用伽马射线“雕刻”芯片。
1. 为什么波长越短越好？（这是基础）
芯片上的电路纹理，说白了就是用光“画”出来的图案。这个图案的大小，直接决定了芯片的性能和集成度。想象一下，你想画一条非常细的线，你的画笔越细，画出来的线就越精细，也就越容易在有限的空间里画出更多的细节。
在光学领域，这个“画笔的粗细”就对应着光的波长。光的衍射（diffraction）现象是限制图案精度的根本原因。当光穿过一个狭缝或者照射到一个物体上时，它会向外散开。这个散开的程度，跟光的波长以及狭缝或物体的尺寸有关。波长越短，衍射的程度就越小，光就能更“直线”地传播，从而在光刻掩模（mask）上非常小的特征，能够更忠实地投影到硅片上，实现更精细的图案。
目前最先进的光刻机使用的是极紫外光（EUV），其波长是13.5纳米。相较于早期使用的可见光（几百纳米），这已经是非常小的波长了，能够制造出几纳米级别的芯片。
2. 伽马射线，理论上的“神兵利器”
伽马射线，它的波长是极紫外光（EUV）的几千分之一甚至几万分之一，那简直是“微雕”级别的。如果能用伽马射线来光刻，理论上我们可以实现比现在先进得多的制程，可能达到亚纳米级别，制造出不可思议的芯片。
3. 为什么现实很骨感？伽马射线“惹不起”
然而，我们之所以不能直接用伽马射线，是因为它太“暴力”了，我们目前的“技术水平”和“物质基础”根本驾驭不了它。主要有以下几个难以逾越的障碍：
光源的难题：
伽马射线的产生： 伽马射线的产生方式与可见光或EUV完全不同。EUV通常是通过激光轰击液态锡珠产生的，是一个相对可控的过程。而伽马射线的产生，往往与放射性衰变、核反应有关，例如放射性同位素的衰变会释放伽马射线。这玩意儿一旦产生，就不是那么容易“开关”和“控制强度”的。
高功率、稳定光源的制造： 即使我们能产生伽马射线，要制造出满足光刻机所需的高强度、高亮度、高稳定性的光源，并且能够精确控制其出光时间、方向和强度，这在技术上是巨大的挑战。我们没有现成的“伽马射线灯泡”。
效率问题： 现有的产生伽马射线的技术，其能量转换效率普遍不高，而且产生的伽马射线往往是全方向的，要将其收集、聚焦并形成我们需要的“光束”，效率会非常低。
光学元件的难题：
反射镜和透镜： 光刻机依赖于高精度的光学元件来反射和聚焦光线。可见光和EUV可以用玻璃透镜（如屈光镜）或多层反射镜（如介质膜反射镜）来实现。但是，伽马射线是高能粒子辐射，它会与物质发生强烈的相互作用。
穿透性太强： 伽马射线能量极高，穿透性极强，一般的材料根本挡不住它，更不用说用它来折射或反射了。传统的玻璃透镜对伽马射线几乎是透明的，无法实现聚焦。
反射镜材料和设计： 即使使用一些特殊材料（如钨、铂等）构建的多层反射镜，其反射效率也会随着波长的降低而急剧下降。要用伽马射线实现高效反射，需要极其复杂的、堆叠了非常多层（上千层甚至更多）的超精密反射镜，而且每一层的厚度和间隔都必须控制在皮米（pm）级别，这对于制造和维护来说是天文数字的难度。目前的EUV光刻机已经在使用这种多层反射镜了，但要适配伽马射线，难度会指数级增加。
吸收和散射： 伽马射线在穿过任何物质时都会被吸收或散射，这会损失光能，并产生不必要的辐射，影响成像精度。
材料的相互作用问题：
对掩模和硅片的影响： 伽马射线如此高的能量，在照射到光刻掩模（通常是石英玻璃和金属铬层）和硅片表面时，会与材料发生强烈的相互作用。它不仅仅是“照亮”然后“成像”，更像是“轰击”。
损伤和烧蚀： 伽马射线会直接破坏掩模的结构，甚至烧蚀硅片表面的材料。我们无法在伽马射线下精确地“画”出图案，因为它会在“画布”上留下难以控制的“伤痕”。
光刻胶的挑战： 现代光刻技术依赖于光刻胶，光刻胶在特定波长的光照射下会发生化学变化，从而形成图案。目前的光刻胶材料，其对伽马射线的响应机制未知，而且伽马射线的高能量很可能直接破坏光刻胶的分子结构，导致无法形成精确的图案。
环境和安全问题：
辐射防护： 伽马射线具有很强的电离辐射，对人体和生物体有严重的危害。如果用伽马射线进行光刻，整个生产环境都需要进行极其严苛的辐射防护，成本会非常高，而且操作风险也极高。
设备材料的稳定性： 长期暴露在强伽马射线辐射下，光刻机内部的许多材料（金属、塑料、电子元件等）可能会发生老化、降解，甚至产生新的放射性，导致设备寿命缩短、性能不稳定。
成本和经济性：
研发和制造成本： 即使技术上勉强可行，研发和制造一台能够使用伽马射线的“光刻机”，其成本将是天文数字，远超当前最昂贵的EUV光刻机。
运营成本： 辐射防护、特殊材料的维护、能源消耗等，都会让伽马射线光刻的运营成本高得离谱。
4. 还有其他更“温和”的超短波长选择吗？
实际上，科学家们也在探索更短波长的光，比如X射线（Xray）。X射线比EUV的波长还要短，一些早期的光刻技术（如电子束光刻，虽然不是用光，但原理类似）和一些实验性的光刻方法也尝试过使用X射线。
X射线比伽马射线稍微“好”一点，它的能量较低，穿透性也相对弱一些，但仍然比EUV有显著的挑战。X射线的聚焦和控制同样非常困难，需要特殊的反射镜和光源技术。而且，X射线同样存在材料损伤和辐射安全问题。
总结一下：
我们不使用伽马射线进行光刻，不是因为我们“不想”追求更小的波长，而是因为伽马射线的高能量、强穿透性、难以产生稳定光源、光学元件制备的极端困难、对材料的破坏性以及严峻的安全问题，使得我们目前的技术能力和经济成本都无法支撑其在芯片制造中的应用。
目前，在半导体光刻领域，EUV光已经是我们能够大规模、稳定、经济地应用的极限。未来的技术发展，可能会继续在EUV的波长上进行优化，或者探索其他更可行的、但依然是短波长的光源技术。但直接跳到伽马射线，那简直是跨越了几个时代的鸿沟，需要全新的物理原理和工程突破。
咱们一步一步来聊聊，为什么光刻机没法直接用伽马射线“雕刻”芯片。
1. 为什么波长越短越好？（这是基础）
芯片上的电路纹理，说白了就是用光“画”出来的图案。这个图案的大小，直接决定了芯片的性能和集成度。想象一下，你想画一条非常细的线，你的画笔越细，画出来的线就越精细，也就越容易在有限的空间里画出更多的细节。
在光学领域，这个“画笔的粗细”就对应着光的波长。光的衍射（diffraction）现象是限制图案精度的根本原因。当光穿过一个狭缝或者照射到一个物体上时，它会向外散开。这个散开的程度，跟光的波长以及狭缝或物体的尺寸有关。波长越短，衍射的程度就越小，光就能更“直线”地传播，从而在光刻掩模（mask）上非常小的特征，能够更忠实地投影到硅片上，实现更精细的图案。
目前最先进的光刻机使用的是极紫外光（EUV），其波长是13.5纳米。相较于早期使用的可见光（几百纳米），这已经是非常小的波长了，能够制造出几纳米级别的芯片。
2. 伽马射线，理论上的“神兵利器”
伽马射线，它的波长是极紫外光（EUV）的几千分之一甚至几万分之一，那简直是“微雕”级别的。如果能用伽马射线来光刻，理论上我们可以实现比现在先进得多的制程，可能达到亚纳米级别，制造出不可思议的芯片。
3. 为什么现实很骨感？伽马射线“惹不起”
然而，我们之所以不能直接用伽马射线，是因为它太“暴力”了，我们目前的“技术水平”和“物质基础”根本驾驭不了它。主要有以下几个难以逾越的障碍：
光源的难题：
伽马射线的产生： 伽马射线的产生方式与可见光或EUV完全不同。EUV通常是通过激光轰击液态锡珠产生的，是一个相对可控的过程。而伽马射线的产生，往往与放射性衰变、核反应有关，例如放射性同位素的衰变会释放伽马射线。这玩意儿一旦产生，就不是那么容易“开关”和“控制强度”的。
高功率、稳定光源的制造： 即使我们能产生伽马射线，要制造出满足光刻机所需的高强度、高亮度、高稳定性的光源，并且能够精确控制其出光时间、方向和强度，这在技术上是巨大的挑战。我们没有现成的“伽马射线灯泡”。
效率问题： 现有的产生伽马射线的技术，其能量转换效率普遍不高，而且产生的伽马射线往往是全方向的，要将其收集、聚焦并形成我们需要的“光束”，效率会非常低。
光学元件的难题：
反射镜和透镜： 光刻机依赖于高精度的光学元件来反射和聚焦光线。可见光和EUV可以用玻璃透镜（如屈光镜）或多层反射镜（如介质膜反射镜）来实现。但是，伽马射线是高能粒子辐射，它会与物质发生强烈的相互作用。
穿透性太强： 伽马射线能量极高，穿透性极强，一般的材料根本挡不住它，更不用说用它来折射或反射了。传统的玻璃透镜对伽马射线几乎是透明的，无法实现聚焦。
反射镜材料和设计： 即使使用一些特殊材料（如钨、铂等）构建的多层反射镜，其反射效率也会随着波长的降低而急剧下降。要用伽马射线实现高效反射，需要极其复杂的、堆叠了非常多层（上千层甚至更多）的超精密反射镜，而且每一层的厚度和间隔都必须控制在皮米（pm）级别，这对于制造和维护来说是天文数字的难度。目前的EUV光刻机已经在使用这种多层反射镜了，但要适配伽马射线，难度会指数级增加。
吸收和散射： 伽马射线在穿过任何物质时都会被吸收或散射，这会损失光能，并产生不必要的辐射，影响成像精度。
材料的相互作用问题：
对掩模和硅片的影响： 伽马射线如此高的能量，在照射到光刻掩模（通常是石英玻璃和金属铬层）和硅片表面时，会与材料发生强烈的相互作用。它不仅仅是“照亮”然后“成像”，更像是“轰击”。
损伤和烧蚀： 伽马射线会直接破坏掩模的结构，甚至烧蚀硅片表面的材料。我们无法在伽马射线下精确地“画”出图案，因为它会在“画布”上留下难以控制的“伤痕”。
光刻胶的挑战： 现代光刻技术依赖于光刻胶，光刻胶在特定波长的光照射下会发生化学变化，从而形成图案。目前的光刻胶材料，其对伽马射线的响应机制未知，而且伽马射线的高能量很可能直接破坏光刻胶的分子结构，导致无法形成精确的图案。
环境和安全问题：
辐射防护： 伽马射线具有很强的电离辐射，对人体和生物体有严重的危害。如果用伽马射线进行光刻，整个生产环境都需要进行极其严苛的辐射防护，成本会非常高，而且操作风险也极高。
设备材料的稳定性： 长期暴露在强伽马射线辐射下，光刻机内部的许多材料（金属、塑料、电子元件等）可能会发生老化、降解，甚至产生新的放射性，导致设备寿命缩短、性能不稳定。
成本和经济性：
研发和制造成本： 即使技术上勉强可行，研发和制造一台能够使用伽马射线的“光刻机”，其成本将是天文数字，远超当前最昂贵的EUV光刻机。
运营成本： 辐射防护、特殊材料的维护、能源消耗等，都会让伽马射线光刻的运营成本高得离谱。
4. 还有其他更“温和”的超短波长选择吗？
实际上，科学家们也在探索更短波长的光，比如X射线（Xray）。X射线比EUV的波长还要短，一些早期的光刻技术（如电子束光刻，虽然不是用光，但原理类似）和一些实验性的光刻方法也尝试过使用X射线。
X射线比伽马射线稍微“好”一点，它的能量较低，穿透性也相对弱一些，但仍然比EUV有显著的挑战。X射线的聚焦和控制同样非常困难，需要特殊的反射镜和光源技术。而且，X射线同样存在材料损伤和辐射安全问题。
总结一下：
我们不使用伽马射线进行光刻，不是因为我们“不想”追求更小的波长，而是因为伽马射线的高能量、强穿透性、难以产生稳定光源、光学元件制备的极端困难、对材料的破坏性以及严峻的安全问题，使得我们目前的技术能力和经济成本都无法支撑其在芯片制造中的应用。
目前，在半导体光刻领域，EUV光已经是我们能够大规模、稳定、经济地应用的极限。未来的技术发展，可能会继续在EUV的波长上进行优化，或者探索其他更可行的、但依然是短波长的光源技术。但直接跳到伽马射线，那简直是跨越了几个时代的鸿沟，需要全新的物理原理和工程突破。
网友意见
很多人都以为限制芯片制程的是物理定律；但是实际上，更重要的限制因素是经济规律。
很多人都听说过摩尔定律，觉得就是“集成电路上可容纳的晶体管数目，每隔1-2年就能够翻一倍”；但是实际上，严格上来说应该是“在成本基本不变的情况下，集成电路上可容纳的晶体管数目，每隔1-2年翻一倍”。
这张图还是让我很震撼的。2012年时的技术与1979年时的技术相比，虽然晶圆的尺寸完全不同了，虽然光刻机的光源也完全不同了，虽然仪器的价格也截然不同，虽然已经相隔了33年，但是均摊在单位面积上的成本却没有什么差别！（不考虑通货膨胀的情况下，图片来源：Chris Mack 教授的 CHE323 课程）
单从物理规律上来说，要做出更小的结构，简直方法太多了：使用电子束光刻（E-beam Lithography），由于电子的德布罗意波长很短，很容易可以做出制程甚至小于1 nm的芯片。但是问题在于，首先产生大量高能电子束的成本会升高，其次电子束光刻的速度很慢，比目前的光刻速度慢了成千上万倍。芯片做得慢，成本还要高，那么当然是没有什么前途的。另外还有些特定的layer对于光刻的时长有要求。
或者采用类似AFM的方式甚至理论上可以得到更小的结构，但是那样速度也就更慢了。
亦或采用Nanoimprint Lithography的方式，也容易得到极小的结构，但是这样的方法得到的芯片缺陷极高，而且也相对较慢。
实际上EUV光刻机在早在十多年前就已经可以做出一些芯片了，为何直到不久前才开始投入使用呢？因为之前的光源强度不够，光刻速度太慢了。
总而言之，芯片制程不仅仅是一个物理问题，更重要的是经济问题。
下视频中，从1分40秒开始介绍这个问题。
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